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¿Qué es la fotogrametría?

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La fotogrametría es el proceso de tomar medidas fiables a partir de fotografías. Ha estado con nosotros de alguna forma durante siglos y ha ayudado a dar forma a nuestra comprensión de cosas como la superficie de la tierra. Hoy en día, juega un papel vital en muchas industrias. Así que aquí hay una primera para darle una comprensión general de lo que es y cómo funciona.

Introducción

La fotogrametría es un tema muy amplio. Se ha vuelto cada vez más popular a lo largo de los años, por lo que se utiliza en muchas aplicaciones diferentes, cada una con sus propias peculiaridades. Aquí, presentamos los conceptos generales que sustentan la fotogrametría. Analizamos cómo funciona, algunas aplicaciones comunes, qué hardware se usa normalmente, cuándo usar fotogrametría en general y cuándo no.

Comencemos con una definición.

Definición de fotogrametría

La fotogrametría es el proceso de tomar medidas fiables a partir de fotografías. Esta definición puede parecer un poco simplista, pero la etimología del término lo confirma: “Fotos” en griego significa luz, “gramma” significa escribir o dibujar, y “metron” significa medir.

También puede encontrar algunas definiciones de fotogrametría que incluyen tomar medidas de patrones de energía radiante electromagnética y otros fenómenos. Esto se debe a que, en algunos círculos, la definición de fotogrametría incluye no solo la fotografía, sino también datos de otras imágenes multiespectrales.

Al final del día, el principio general detrás de esto permanece sin cambios: obtener información confiable sobre las dimensiones de los objetos físicos mediante el examen e interpretación de imágenes. En la mayoría de los casos, estas imágenes son imágenes regulares de una cámara, generalmente una DSLR. Esta es la definición con la que trabajaremos.

Entonces, piense en una imagen de la vieja escuela de la escena de un crimen con una regla a escala colocada junto a un objeto de interés y fotografiada. ¿Eso califica como fotogrametría? Después de todo, proporciona un medio para medir un objeto a partir de una fotografía.

Bueno no exactamente. Veremos por qué en un momento.

¿Cómo funciona la fotogrametría?

Definimos la fotogrametría como la toma de medidas fiables a partir de fotografías. La palabra “confiable” aquí está haciendo mucho trabajo pesado porque, en esencia, la fotogrametría es la confiabilidad.

Volviendo a la escena del crimen, digamos que tenemos una imagen de una huella en el suelo con una regla forense al lado. No podemos determinar con confianza el tamaño del zapato a partir de la imagen, incluso con la escala que proporciona la regla. Si la huella se curva sobre un montículo de tierra, desde arriba parece más pequeña de lo que realmente es.

Si esta huella se hizo sobre un montículo curvo de tierra, podría parecer más pequeño desde esta perspectiva, lo que hace que las mediciones de esta imagen no sean confiables.
Si esta huella se hizo sobre un montículo curvo de tierra, podría parecer más pequeño desde esta perspectiva, lo que hace que las mediciones de esta imagen no sean confiables.

Para tomar una medida precisa, debemos tener en cuenta la curvatura de la superficie. Pero si la cámara se coloca directamente sobre la huella mirando hacia abajo, es ciega a los contornos del suelo.

Entonces, ¿cómo evita la fotogrametría este problema?

La respuesta corta es mediante el uso de múltiples imágenes superpuestas desde diferentes posiciones y ángulos.

La fotogrametría deduce las dimensiones de una escena mediante el uso de múltiples imágenes superpuestas tomadas desde diferentes posiciones y ángulos.
La fotogrametría deduce las dimensiones de una escena mediante el uso de múltiples imágenes superpuestas tomadas desde diferentes posiciones y ángulos.

Se trata de perspectiva

La fotogrametría se centra en la perspectiva y su interpretación. Lo que hace esencialmente la fotogrametría es retroceder en el proceso de fotografía. Mientras que la fotografía toma un objeto o una escena y los aplana en una imagen 2D, la fotogrametría hace lo contrario; mira esta representación 2D y construye un modelo 3D a partir de pistas en las imágenes.

Pero, ¿cómo exactamente?

Sabemos que las cámaras ven los objetos de manera similar al ojo humano. Por ejemplo, cuanto más cerca está un objeto de la lente, más grande parece. Una ilustración de esto es cómo un camino recto parece disminuir en la distancia aunque su ancho en realidad no cambie.

Una demostración más elaborada de este concepto aparece en el texto de 1525 de Albrecht Dürer, A Painter’s Manual. Representa a dos hombres que intentan crear un dibujo geométricamente preciso de un laúd. Colocan el laúd en una mesa frente a una especie de ventana, pero con un lienzo en lugar de un cristal de ventana. Fijan una cuerda en un punto de la pared donde estaría el ojo de un observador y la pasan por la ventana abierta.

Un grabado de 1525 del Manual del pintor de Albrecht Dürer que demuestra la perspectiva geométrica. La fotogrametría utiliza este concepto para inferir datos 3D a partir de imágenes 2D.
Un grabado de 1525 del Manual del pintor de Albrecht Dürer que demuestra la perspectiva geométrica. La fotogrametría utiliza este concepto para inferir datos 3D a partir de imágenes 2D.

Luego mueven el extremo opuesto de la cuerda alrededor de diferentes puntos del laúd, observan la posición de la cuerda en la ventana para cada uno de esos puntos y dibujan un punto en el lienzo para cada posición de la cuerda en el marco de la ventana. Lo que emerge es una imagen de matriz de puntos geométricamente precisa del laúd.

La fotogrametría se basa en estos principios para hacer inferencias sobre las dimensiones y propiedades físicas de los objetos. Con suficientes imágenes superpuestas que proporcionen la información espacial necesaria, es posible reconstruir un modelo 3D de un objeto o escena completos.

Triangulación

Tener imágenes superpuestas es clave para la fotogrametría. Al identificar los mismos puntos en varias imágenes y tener en cuenta parámetros como la posición y la orientación de la cámara para cada fotografía, su distancia focal, la distorsión de la lente y otras variables, es posible determinar dónde se ubicaron esos puntos en el espacio 3D. Esto se llama triangulación.

La triangulación funciona identificando puntos comunes en imágenes superpuestas y determinando sus posiciones en el espacio 3D en relación con las posiciones conocidas de la cámara.
La triangulación funciona identificando puntos comunes en imágenes superpuestas y determinando sus posiciones en el espacio 3D en relación con las posiciones conocidas de la cámara.

Cuando se identifica un punto en al menos dos imágenes tomadas desde diferentes ubicaciones conocidas, podemos dibujar líneas imaginarias desde las dos posiciones de la cámara en la dirección de ese punto. Luego determinamos matemáticamente dónde se cruzan las líneas. Las líneas convergentes nos dan las coordenadas XYZ del punto objetivo. Y con suficientes puntos, podemos construir un modelo de la escena.

Los seres humanos en realidad hacen exactamente lo mismo intuitivamente. Básicamente, caminamos con dos pequeñas cámaras en la cabeza, ligeramente separadas, para ayudarnos a percibir la profundidad y la distancia.

Escala y orientación

Sin embargo, una cosa a tener en cuenta es que los modelos fotogramétricos tienen proporción pero no tienen escala. Para escalar el modelo, debe haber al menos una distancia conocida. Esto es similar a cómo nuestro cerebro también necesita un objeto familiar para ayudarlo a estimar el tamaño de algo que estamos mirando. Lo que al principio parece un edificio de tamaño completo en una imagen puede convertirse en un modelo en miniatura cuando se coloca una moneda al lado. En fotogrametría, el equivalente de esa moneda serían las barras de escala.

La fotogrametría proporciona proporción pero no escala. Sin la barra de escala calibrada en forma de T, es imposible saber qué tan grande (o pequeño) es este cigüeñal.
La fotogrametría proporciona proporción pero no escala. Sin la barra de escala calibrada en forma de T, es imposible saber qué tan grande (o pequeño) es este cigüeñal.

Las barras de escala son barras lineales calibradas con marcadores impresos llamados objetivos adjuntos. Los objetivos en las barras de escala están codificados. Esto significa que el software puede identificar de forma única cada objetivo. Los objetivos no codificados (como los del cigüeñal en la imagen) simplemente proporcionan puntos de referencia de alto contraste que ayudan a unir con precisión las imágenes. No son identificables de forma única.

Los objetivos en las barras de escala están separados por una distancia conocida y, por lo tanto, se pueden usar para escalar la imagen. Para garantizar la consistencia y la precisión, las barras de escala se fabrican con materiales cuyas dimensiones no varían significativamente con los cambios de temperatura.

Los objetivos también se colocan alrededor de la escena antes de que se tomen las imágenes para proporcionar puntos de referencia sólidos que se combinarán entre las imágenes superpuestas cuando las imágenes se unen.

El software de fotogrametría puede reconocer y hacer coincidir automáticamente objetivos codificados entre imágenes y utilizar esta información para alinear las imágenes y determinar la orientación del modelo. Los objetivos no codificados se utilizan además para comprobar la precisión del modelo una vez que el software lo ha procesado.

La consistencia y la calidad son la clave

Hay bastantes factores que influyen en lo que puede lograr con la fotogrametría. El hardware, como cámaras, lentes, etc., determina la calidad máxima que puede generar. Y como era de esperar, la calidad de las imágenes (la resolución, su nitidez, la profundidad de campo y otros factores similares) también son especialmente cruciales. Nos sumergiremos un poco más en esto más adelante.

Pero aparte de su calidad, la forma en que se toman las imágenes es igual de importante.

Lo importante es asegurarse de que el objeto se captura completamente. Una recomendación útil es hacer varios círculos completos alrededor del objeto, tomando fotografías sistemáticamente a diferentes distancias para que las posiciones de la cámara creen una especie de cúpula a su alrededor. Para objetos más pequeños, naturalmente habrá menos fotografías. Pero cualquiera que sea el caso, siempre querrá asegurarse de que la totalidad del objeto esté enfocado en todas las imágenes para obtener los mejores resultados.

Para obtener los mejores resultados, se recomienda realizar varios círculos completos alrededor del objeto, tomando fotografías sistemáticamente a diferentes distancias.
Para obtener los mejores resultados, se recomienda realizar varios círculos completos alrededor del objeto, tomando fotografías sistemáticamente a diferentes distancias.

Para objetos más grandes o escenas que no se pueden rodear (la fachada de un edificio, por ejemplo), la cámara se puede mover a lo largo de una línea recta paralela a la fachada del edificio. Es posible que se necesiten varios barridos para capturar la totalidad de la escena.

Con la fotogrametría aérea, la cámara se montará en un vehículo aéreo, como un dron, apuntando hacia abajo. Si también desea capturar los lados de objetos verticales como edificios o árboles, podría ser una buena idea inclinar un poco la cámara para capturar adecuadamente estas superficies. Aquí nuevamente, la consistencia es clave.


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